Jak sterować silnikiem krokowym 5-fazowym 5A/faza, 0.37Ω, 0.72/0.36° bipolarnie?

Witam. Mam do zaprojektowania sterownik silników krokowych 5 fazowych. Parametry silnika to 5A/faza R uzwojeń 0.37Ω skok 0.72/0.36 stopnia. Silnik ma wyprowadzoną każdą cewkę osobno (10 zacisków) więc mam pełną dowolność ich połączenia. Moje pytanie jak najlepiej sterować takim silnikiem aby wykorzystać w pełni jego moc. Najprostsza opcja to połączenie tych samych końców wszystkich cewek do masy i załączanie "od plusa" kolejnych faz (sterowanie unipolarne) ale wtedy w danym kroku prąd płynie tylko przez jedną cewkę, do tego przy sterowaniu pół krokowym mam nierówny moment dla kroku połówkowego i pełnego. Przeszukując sieć znalazłem bardzo skąpe wzmianki na temat sterowania silników 5 fazowych. Wyczytałem w zasadzie tylko że większość tego typu silników ma wyprowadzone 5 kabli i uzwojenia są połączone w "pentagram". Moje pytanie brzmi jak połączyć i jak sterować taki silnik bipolarnie ?

Witam.

Taki silnik sterować bipolarnie to spore wyzwanie (materiałowe) - trzeba 5 mostków typu H i każde z wyprowadzeń podpiąć w osobne mostki. Dużo prostszym rozwiązaniem jest zasugerowanie przez Ciebie rozwiązanie unipolarne a sprawę nierównego momentu możesz (a nawet mósisz) zredukować stosując ogranicznik prądowy 5A na zasilaniu - wtedy przy pracy półkrokowej pojedyńcze cewki są zasilane prądem 5A a przy załączonych dwóch cewkach popłyną przez nie prądy po 2,5A. Łatwiej steruje się od minusa a wszystkie początki uzwojeń wpiąć do +Ucc przez ogranicznik prądowy (choper).

Pozdrawiam.

No więc dobrze sterownik będzie unipolarny. Widzę to tak: Od masy tranzystory chyba najlepiej zastosować MOSFET-y. Drugie końce uzwojeń razem przez tranzystor i rezystor dla pomiaru prądu do +Ucc. w zasadzie rezystor pomiarowy może (czy powinien) być dołączony do masy a do niego tranzystory załączające fazy. Tranzystory kluczujące fazy sterowane mikroprocesorem. Mam jednak problem z choperem wolał bym go zrobić jako niezależny układ niż implementować programowo. Pytanie więc czy ktoś robił taki układ ? Wiem że jest mi potrzebny komparator, źródło napięcia odniesienia, generator i coś co będzie zmieniało stan na przeciwny w momencie zrównania napięcia pomiaru z napięciem odniesienia, tylko jak to powinno wyglądać ? Wystarczy na wyjściu komparatora przerzutnik do którego dołączę także generator ? Coś takiego jest z tego co wiem w strukturze układu L297 tylko że tam są 2 komparatory i 2 przerzutniki taktowane wspólnym generatorem ale to wynika chyba z faktu "bipolarności" układu gdzie pomiar musi być dla każdej fazy osobny.

nie słyszałem jeszcze nigdy o programowym choperze... choper to po prostu regulator PWM o współczynniku wypełnienia uzależnionym od płynącego prądu - taki regulator prądu. Możesz to ograniczenie zrobić liniowe ale wtedy będą ogromne straty mocy na ciepło ... Jeśli zrobisz tak jak opisujesz to ograniczenie/regulacja prądu musi być od plusa żeby można było bez problemu sterować tranzystory załączające fazy...

Jak by się ktoś uparł można przecież taki generator zrobić programowo, wystarczy mikroprocesor z komparatorem analogowym i kawałek programu. Pytałem zresztą o przykładowy schemat takiego generatora. To że tranzystor "czoperujący" powinien być od plusa to napisałem ale rezystor pomiarowy lepiej dać do masy czy do +Ucc. Jaką powinien on mieć wartość coś w okolicach 0.1ohm będzie dobre czy za mało ? z tego co wiem musi być to rezystor bezindukcyjny. Przy takim prądzie liniowy ogranicznik nie wchodzi oczywiście w grę bo potrzebny radiator chyba by mi się nie zmieścił w pokoju

Przy połączeniu uzwojeń w pięciokąt przepuszczasz prąd pomiędzy dwoma prawie przeciwległymi
końcami, i prąd płynie w dwie strony - w każdą może być do 5A, więc razem 10A. Do każdego
wierzchołka potrzebne są dwa tranzystory (jeden do łączenia z minusem, drugi z plusem zasilania).
Przestawiasz na zmianę punkty połączenia z plusem i z minusem zasilania.

Jak na chwilę obecną schemat poglądowy układu wykonawczego wygląda następująco, bazy T2-T6 przez odpowiedni układ do procesora oczywiście. Skłaniam się ku wersji A ale obie powinny działać poprawnie (tak mi się wydaje) Gdzieś widziałem rozwiązanie w którym do czoperowania użyto tych samych tranzystorów co do załączania faz. Sygnały z procesora sterującego i czopera były zbramkowane and-ami. Czy takie rozwiązanie jak na schemacie ma sens skoro można czoperować i sterować tymi samymi tranzystorami ? Co z zabezpieczeniem anty przepięciowym tranzystorów ? Diody napewno szybkie. Pytanie jakiej mocy i na jakie napięcie zakładając zasilanie 70V ?

Schematy wydają się być prawie prawidłowe na pierwszy rzut oka lecz na "lewym" schemacie poziom Gnd sterownika należało by spiąć z emiterami tranzystorów i rozdzielić układ mocy od sterownia bo w przeciwnym razie nie uda się prawidłowo wysterować tranzystorów ponieważ na emiterach "pływa" napięcie w zależności od czopera.... W wersji A nie ma tego problemu. Problem nierówności momentu jest tutaj wystarczająco zredukowany....

Dodano po 2 [minuty]:

w wersji A też są pływające emitery i bazy.... więc też należy przenieść masę sterownika na emitery Tranzystorów kluchujących.

Stosując jednokierunkowy przepływ prądu wykorzystasz tylko część mocy silnika.

Zdaję sobie z tego sprawę że wykorzystam tylko część mocy ale za żadne skarby nie mogę sobie wyobrazić jaka ma być powtarzająca się sekwencja sterowania tym pięciokątnym połączeniem. Możesz mi to narysować ?

Może opiszę: powiedzmy, że masz uzwojenia A,B,C,D,E, i połączysz je w punktach 1,2,3,4,5:
1-A-2-B-3-C-4-D-5-E-1. Do każdego z punktów podłączasz dwa tranzystory, jeden do łączenia
z plusem (P), drugi z minusem zasilania (N). Podaję które włączasz w kolejnych krokach:
P1N3, P1N4, P2N4, P2N5, P3N5, P3N1, P4N1, P4N2, P5N2, P5N3, P1N3... tak w kółko.
Przy każdym tranzystorze powinna być dioda zabezpieczająca do zasilania (ustawiona w takim
kierunku, żeby przy normalnym kierunku napięcia na tranzystorze nie przewodziła).

Wracam do tematu. Czy sterowanie jak na załączonym schemacie to dobry pomysł ? (jest to schemat poglądowy chodzi o idee oczywiście nie mam zamiaru sterować tranzystorami mocy bezpośrednio z wyjść bramek ) Zastanawia mnie cały czas gdzie powinien być ten rezystor do pomiaru prądu. W sterownikach na L297/L298 zawsze jest on od strony masy więc pewnie tak być powinien. Zastanawiam się czy nie wsadzić pomiędzy tranzystory i resztę układu optoizolacji żeby w razie czego uszkodziły się tylko tranzoptory a nie cały sterownik. oczywiście masy części wykonawczej i reszty musiały by być odseparowane.

Zapomniałem dodać że wolne wejścia bramek idą do procesora ale to chyba oczywiste.

Proponuję inne bramki do sterowania NPN i PNP - chodzi chyba o to, żeby sygnał wspólny mógł wyłączyć wszystko.
No i diody zabezpieczające przy tranzystorach - żeby co się wyindukuje zbyt dużego odprowadzać do zasilania.

Przedstawiam prawie kompletny schemat bloku wykonawczego. Oczywiście do pełni szczęścia potrzeba takich 5 po jednym na każdy wierzchołek pentagramu. Przesymulowałem to w prostym symulatorze i wyszło mi że powinno działać ale jak wiadomo z symulowaniem zwłaszcza w prostych programach bywa różnie więc chciał bym prosić o wytknięcie wszelkich błędów konstrukcyjnych jakie popełniłem. Opiszę po krudce jak sobie to wymyśliłem. Dwie pierwsze bramki and i negator służą do zabezpieczenia przed możliwością otwarcia obu tranzystorów naraz i włączają prąd w ogóle. Sterowanie odbywa się tak że sygnałem A wybieramy kierunek przepływu prądu a sygnałem B włączamy go. Druga para bramek powoduje połączenie sygnału czopera i sterującego czyli kiedy wybierzemy dany tranzystor i go włączymy jest on sterowany czoperem a nie załączony na sztywno. Komplikuje to w prawdzie układ ale czyni go bardziej niezawodnym bo trudniej go zniszczyć przypadkowym błędnym podaniem sygnałów sterujących. Zakładam oczywiście że nigdzie nie pomyliłem stanów aktywnych, tutaj chciałem jakiegoś specjalistę od tranzystorów poprosić aby to sprawdził ja sprawdzałem 3 razy i wydaje mi się że jest dobrze. Mam jeszcze dylemat odnośnie tranzystorów T3 i T4 wystarczą zwykłe małej mocy np. BC393 czy potrzebuję coś na wyższe prądy i 3 stopniowy darlington ? Rezystory dobrałem na zasadzie powinno działać i się nie spalić. Oba tranzystory mam tego samego typu z tego względu że wygodniej mieć wszystkie tranzystory jednakowe, a z praktycznego punktu widzenia chyba nie ma to znaczenia, zasugerowałem się tym że w strukturze L298 także są jednakowe tranzystory do łączenia z masą i vcc. Co do diod zabezpieczających to planuje zastosować MBR4060 Shotky podwójna 60V/40A albo jakąś diodę szybką o prądzie większym niż 10A. Wiele argumentów przemawia za diodami szybkimi najszybsze wysoko prądowe jakie mogę kupić mają czas przełączania 35ns (MUR1610CT 16A/100V brak dokumentacji taki czas podaje sprzedawca) albo FEP16GT 16A/400V (z dokumentacji wynika czas 50ns) dodatkowo w dokumentacji jest wersja diody podwójnej w TO22 gdzie obie diody są połączone szeregowo taka była by tu najlepsza ale nie wiem czy do kupienia. Diody shotkyego są podobno jeszcze szybsze ale bardzo drogie (10zł/szt) i wytrzymują tylko 60V na mniejsze prądy są tańsze ale nie ma na napięcie wyższe niż 45V przynajmniej nie w mojej okolicy a nie chcę niczego kupować wysyłkowo. Będę wdzięczny za sprawdzenie układu i doradzenie jakie diody zastosować.

Możesz użyć o jedną bramkę mniej, dając na bramkę sygnały z chopera i B, a z niej sterując dwie pierwsze bramki.

Jeśli to ma być na 5A, to diody zabezpieczające mogą być na 1A, a nawet nieco mniejsze - w impulsie 5A wytrzymają
- o ile nie będzie tak, że diody będą przewodzić prawie cały czas, ale nawet wtedy wystarczą na 2A.

Diody Schottky są niskonapięciowe; ich dużą zaletą jest niskie napięcie przewodzenia, znacznie niższe od zwykłych
diód krzemowych, natomiast wadą spore prądy wsteczne (jak na diody krzemowe) i niskie napięcie przebicia.

Natomiast z układem tranzystorowym coś jest chyba nie w porządku - na oporniku bazy T1 będzie przy włączeniu
T3 prawie całe napięcie zasilania, i popłynie kilkadziesiąt mA, a na oporniku bazy T2 malutko - będzie się grzał.

Zbudowałem pierwszy sterownik wg.schematu zamieszczonego poniżej. Można było zastosować w każdej gałęzi jedną bramkę and mniej ale nie opłaciło się ze względu na powstałą w ten sposób znaczną komplikację płytki zdecydowałem więc zastosować jeden układ scalony więcej a płytka tak jest bardzo zamotana. Wszystko śmiga. Poza jednym dolne tranzystory bardzo mocno się nagrzewają podczas gdy górne są praktycznie zimne. Dlaczego tak się dzieje? Na razie odkręciłem prąd do max 6A z tego co pisał kolega _jta_ może przy takim sterowaniu być maxymalnie 10A dla prądu nominalnego fazy silnika 5A i po chwili na dość sporym radiatorze można było się sparzyć tranzystory od +a były lekko ciepłe. Zastanawiam się czy wrzucenie kolektorów BD140 na ten sam potencjał co kolektory TIP36 nie załatwiło by sprawy w końcu na rezystorze pomiarowym jest jakiś spadek przy 10A będzie on całkiem spory, proszę o wypowiedź kogoś znającego się na rzeczy bo nie chcę bez przyczyny ciąć pcb. Na razie nie mogę zrobić testu na maksymalnym prądzie bo mam za słaby rezystor nigdzie nie udało mi się dorwać mocniejszych bezindukcyjnych niż 5W. Najlepiej było by tam włożyć coś o jeszcze mniejszej rezystancji. Czoper zrobiłem na bazie schematu L297. Częstotliwośc jaką podaje NE555 to 16kHz zastanawiam się jednak czy jej nie zwiększyć do 40kHz celem ucieknięcia z pasma akustycznego.

Nagrzewanie wskazuje na niepełne włączanie lub niepełne wyłączanie tych tranzystorów, które się grzeją.
Masz może oscyloskop, żeby pooglądać przebiegi, i sprawdzić, czy to włączanie, czy wyłączanie?

No właśnie w tym problem że nie mam oscyloskopu i muszę sobie radzić po omacku. Przy odłączonym silniku przez tranzystory płynie 2,3mA więc chyba nie w wyłączaniu problem wydaje mi się że są raczej nie w pełni nasycone.

No to bierzesz diodę, kondensator, opornik, i robisz detektor napięcia szczytowego.
I mierzysz: minimalne napięcie na wyjściach, maksymalne napięcie na wyjściach,
oraz mierzysz średnie, wyliczasz je z minimalnego i maksymalnego i wypełnienia,
i na tej podstawie sprawdzasz, czy się zgadzają wyniki pomiarów z teorią.

Ustaliłem że przyczyną grzania jest za słabe wysterowanie dolnych tranzystorów wymaga to chyba dodania dodatkowego nieco ujemnego w stosunku do masy napięcia (wydaje mi się że 2- 3V na minusie i będzie dobrze). Nie jest to problem ani z punktu widzenia PCB ani trafa mam nawinięte z odczepami 2V z każdej strony właściwego napięcia.

Za słąbe wysterowanie - nie do końca się otwierają, czy nie do końca wyłączają?

Nie do końca się otwierają - spadek między kolektorem i emiterem jest koło 2.5V podczas gdy na górnych ledwo 0.5V

Jakoś w te 0.5V na górnych nie chce mi się wierzyć - nawet przy pełnym włączeniu masz napięcie nasycenia
na tranzystorze PNP + dwa spadki napięcia emiter-baza na tranzystorach NPN (i te są powyżej 0.7V każdy).
Natomiast nie mogę wykluczyć, że masz za małe wzmocnienie prądowe - dla górnych masz o stopień więcej.
Niby trzy stopnie to jest dużo, ale jak potrzebujesz 5A i trafiły się tranzystory o małym wzmocnieniu, to może
jest trochę za małe: końcowy TIP36 może mieć wzmocnienie 20, poprzedni BD140 40, i potrzebujesz ponad
6mA z BC238, jeśli on ma wzmocnienie 100, to razem z opornikiem emiter-baza 10k potrzebuje prądu około
140uA - i pytanie, czy tyle dostaje, jeśli nie, to spadek napięcia może być spory, a nawet jak dostaje taki prąd,
to górne tranzystory włączają się dużo szybciej, bo są mocno przesterowane, podczas gdy dolne ledwo-ledwo.
Jakie jesteś w stanie uzyskać napięcie na wyjściu bramki 4081 w stanie włączenia? Sprawdź bez silnika, żeby
nie obciążać tranzystorów, ale włącz na stałe tę bramkę, i zmierz napięcie - może jest za małe?
Jakim napięciem zasilasz te bramki? Być może - jeśli to jest 5V - wystarczy je podnieść o parę V.

Możliwe że wynik na górnych jest zafałszowany przez czoper nie wykluczam w każdym razie nie grzeją = jest dobrze . Dolne testowałem poza układem sterownika i na pewno jest OK. Bramki lecą na 5V ledwo ledwo wysterowane dolne tranzystory powinno załatwić dodatkowe ujemne napięcie. Testowałem ten układ i jest lepiej dało się zrobić spadek 0.7V (tyle pokazał miernik). Przy zwarciu tego napięcia bezpośrednio do bazy TIP36. Dodatkowe napięcie jest -3V względem masy - tyle poradził mi kolega zawsze można je podnieść a właściwie obniżyć bo w końcu ujemne kwestia dowinięcia kilku zwojów do trafa. Obawiam się także o tą szybkość włączania możliwe że uda mi się stargać oscyloskop w najbliższym czasie to pooglądam co się tam dzieje.

A może zasilaj te bramki z wyższego napięcia, albo daj dolne tranzystory NPN o większym wzmocnieniu (z grupy C)?